Каждый наш вдох, стук сердца, рост волос, движение тела, мыслей в голове, наша жизнь – всё это невозможно без энергии… Откуда же она берётся в нас и вообще в живых существах на планете Земля? Первоисточником этой энергии стало Солнце, а затем и геотермальное тепло самой Земли. Первые микроскопические формы жизни научились её принимать и перерабатывать в органические углеродсодержащие молекулы – углеводы – путём фотосинтеза или в результате химических реакций неорганических соединений (бактерии-хемосинтетики).
А что же было потом? Согласно теории симбиогенеза 2,5 млрд лет назад произошло удивительное событие, переоценить которое невозможно: древние одноклеточные организмы, не умевшие использовать для своей жизнедеятельности кислород, впустили в себя бактерии, обладавшие этим ценнейшим навыком. Это событие привело к появлению гетеротрофов, которые стали расщеплять с помощью кислорода органические соединения, получаемые из других организмов (пищи), и превращать их в универсальную энергетическую "валюту" для всех живых существ – молекулу АТФ. А намного позже эти структуры перекочевали и в наши клетки, снабдив их собственными фабриками по производству энергии – митохондриями.
Именно благодаря этим крошечным органеллам (уменьшительное от "органы") наш организм и получает энергию для своей жизнедеятельности. И именно из-за их плохой работы мы испытываем усталость и упадок сил, снижение ресурсности организма и, в конечном счёте, развитие различных тяжёлых заболеваний, которые прежде всего затрагивают нервную, сердечно-сосудистую, эндокринную и мышечную системы.
Пришла пора разобраться, как устроены митохондрии, на что они способны и как мы можем помочь им работать долго и активно, избежав таким образом массы недугов и избавившись от ненавистной хронической усталости.
Митохондрия – часть клетки, которая занимает около 25% её объёма, имеет вытянутую форму и крохотные размеры – диаметр около 1 мкм и длину не более 10 мкм. Несмотря на то, что они стали внутренними структурами клетки, они не забыли о своём происхождении и не превратились в неподвижные органеллы, а остались "в душе" довольно самостоятельными и активно действующими. Например, они обладают собственной ДНК и размножаются, как и положено бактериям, делением.
Митохондрии отделены от клетки двумя мембранами – это их главная структура, где и происходит вся "магия" образования энергии. Они весьма подвижны, выполняют множество функций и часто действуют независимо от самой клетки, продолжая активно с ней "общаться" и изменять процессы, происходящие в ней.
Как устроены митохондрии
Эти удивительные структуры первым открыл в 1897 году немецкий гистолог Рихард Альтман, а через три года его коллега Карл Бенд дал им название "митохондрии" от греческих слов "нить" и "зёрнышко". Спустя 56 лет американский биолог Джордж Паладе смог впервые описать их внутреннюю структуру с помощью электронного микроскопа – учёный увидел, что митохондрии имеют две мембраны.
Внешняя мембрана пронизана каналами, через которые могут проникать ионы и даже небольшие молекулы. Например, пируват (пировиноградная кислота) – конечный продукт распада глюкозы в процессе гликолиза или жирные кислоты.
Внутренняя мембрана имеет многочисленные складки (кристы), она в 5 и более раз крупнее внешней. Увеличенная площадь мембраны необходима для размещения в ней большого количества особых белковых комплексов, участвующих в образовании АТФ, в том числе и главную её производительницу – фермента АТФ-синтетазу.
В отличие от внешней, внутренняя мембрана плохо проницаема даже для ионов и может пропускать их только лишь через специальные белковые структуры так называемой "дыхательной цепи", в первую очередь через АТФ-синтетазу, активируя её на производство молекул АТФ. Несмотря на то, что для поддержания процессов жизнедеятельности клетки нужно много энергии, абсолютное количество АТФ в организме очень невелико – всего около 60 грамм. Но эти удивительные молекулы постоянно синтезируются, распадаются и синтезируются вновь, создавая суточный оборот, примерно равный массе нашего тела.
Как работают митохондрии
Процесс образования молекул АТФ в митохондриях называется процессом окислительного фосфорилирования и происходит в два этапа. Кратко это можно описать так:
- Во внутренней мембране митохондрий встроены особые белковые комплексы, которые отрывают электроны от молекул НАДН и ФАДН2, образующихся ранее при расщеплении питательных веществ (пресловутых жиров, белков и углеводов), создавая два потока из электронов и протонов, и перекачивают их из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. При этом возникает разница концентраций протонов и таким образом создаётся и запасается энергия.
- На втором этапе запасённую энергию в виде проточного градиента протонов, направленного обратно в матрикс, использует особая молекула – АТФ-синтетаза, встроенная во внутреннюю мембрану митохондрий. Как это происходит? Протоны, "пробегая" по белкам внутренней мембраны митохондрий, напоминают бурлящий поток реки, который заставляет вращаться жернова "водяной мельницы" – части АТФ-синтетазы, сердцевидной структуры этого процесса. При этом в АТФ-синтетазе происходит присоединение остатка фосфорной кислоты (Н3PO4) к АДФ (аденозиндифосфату). В результате чего из неё, словно из печки, выходят долгожданные новоиспечённые "горячие пирожки" – молекулы АТФ, носители универсальной энергии для всего живого.
Электроны же через непроницаемую внутреннюю мембрану возвращает специальный белок, содержащий в своём составе железо – цитохром С. Этот белок способен не только осуществлять обратную перекачку электронов – при определённых условиях он переходит в межмембранное пространство и запускает апоптоз. Это процесс запрограммированной клеточной гибели, цель которого – уничтожение старых, дефектных, поврежденных, мутировавших или инфицированных клеток. Таким образом, наш организм может прекрасно сам лечиться, восстанавливаться и омолаживаться, если ему в этом не мешать.
Высвобождая энергию, молекула АТФ расщепляется, вновь превращаясь в АДФ и фосфат, и возвращается в митохондрию для повторного синтеза.
Интересно, что в качестве "быстрого топлива", например при кратковременных интенсивных физических нагрузках, митохондрии используют глюкозу, которая сначала расщепляется до пирувата, а затем превращается в ацетил-КоА, который попадает в цикл Кребса, где подвергается дальнейшему окислению до образования восстановительных эквивалентов (НАДН). В результате этих процессов производится 36 молекул АТФ, но больше всего энергии митохондрии могут получить, используя жирные кислоты (получаемые при расщеплении жиров), подвергая их более сложному и более длительному бета-окислению, проходя реакцию активации жирной кислоты с присоединением к ней КоА, с дальнейшими циклическими реакциями с участием коферментов НАД и ФАДН2 (дегидрирования, гидратации и окисления). В итоге от молекулы жирной кислоты также отщепляется ацетил-КоА, которая также отправляется в цикл Кребса (или цикл трикарбоновых кислот), где происходит её окисление до конечных продуктов – СО2 и воды – с высвобождением большого количества АТФ.
К примеру, из одной молекулы пальмитиновой кислоты (жирной кислоты) образуется в среднем 129 молекул АТФ, причём, для некоторых органов, таких как, например, сердце, мозг или скелетные мышцы, предпочтительным источником энергии могут быть именно жирные кислоты. Особенно это актуально при дефиците углеводов, при длительных нагрузках низкой и средней интенсивности – лучшем условии для запуска процессов жиросжигания.
При большом количестве углеводной пищи и дефиците жирных кислот митохондрии переходят на использование глюкозы. При этом может образоваться избыточное количество молекул ацетил-КоА, которые далее могут трансформироваться в кетоновые тела с развитием кетоза, возникающего при углеводном голодании клеток. Если кетоновых тел образуется слишком много (такое бывает при белковых и жировых диетах), то это приводит к нарушению кислотно-щёлочного равновесия – кетоацидозу. А если организм при этом расходует мало энергии, то избыточное количество ацетил-КоА начинает превращаться в насыщенные жиры и холестерин, провоцируя развитие атеросклероза и ожирения, создавая угрозу для здоровья, в первую очередь для сердца и сосудов.
Для процесса выработки энергии митохондрии нуждаются в специальном "оборудовании" - особых структурах – коферментах НАД и ФАД и их восстановленных формах НАДН и ФАДН2, переносящих электроны в электрон-транспортной цепи. Они синтезируются из более простых компонентов. Эти знания нам пригодятся далее, чтобы понять, в каких веществах больше всего нуждаются митохондрии, и какие продукты нам следует добавить в рацион, чтобы улучшить их работу. Для производства НАД необходимы аминокислоты аспартат и триптофан – этот кофермент участвует не только в производстве энергии, но и регенерации ДНК, обеспечивая клеточное долголетие. А для производства ФАД необходим рибофлавин или витамин В2.
Эти коферменты переносят электроны и водород, прогоняя их в окислительно-восстановительных реакциях гликолиза и цикла Кребса и отдавая в "электронно-транспортную цепь" для производства АТФ. Разрываясь, молекулы водорода, создают протонный градиент – отдельные потоки электронов и протонов. Затем электроны и протоны возвращаются в межмембранное пространство, где их поджидает кислород – он улавливает их, словно магнит металлическую стружку, и превращает в воду. Так система возвращается в исходное состояние, в котором может вновь запустить процесс производства АТФ для выработки следующей порции энергии.
Как на любой другой фабрике, во время процесса производства внутриклеточной энергии образуются неоднозначные побочные продукты. В частности, молекулы активного кислорода, которые весьма нестабильны и могут повредить внутренние структуры, прежде всего ДНК самой митохондрии. Останавливать их повреждающее действие призваны антиоксиданты – активные формы азота или специфические белковые молекулы. В идеале количество форм активного кислорода и антиоксидантов должно находится в балансе и тогда активные формы кислорода могут контролировать жизнь и смерть клеток или защищать их от бактерий. При их избытке запускается окислительный стресс – патологическая цепная реакция, приводящая к повреждению клеток и их структур, раннему старению и развитию болезней. Подробнее об этом читайте здесь.
Какие роли играют митохондрии в жизни организма?
- Главная задача митохондрий – снабдить клетку энергией в виде быстрораспадающейся молекулы АТФ. Для её производства используется глюкоза или жирные кислоты, а также до 80% всего поглощаемого при вдохе кислорода. Вот почему так важно больше гулять на свежем воздухе и выполнять особые дыхательные практики, о чём я ещё расскажу подробнее.
- Кроме своей основной функции, митохондрии с помощью тех же производимых ею молекул АТФ, присоединяя их к особым регуляторным центрам ферментов, могут активировать, усиливать или подавлять их работу, влияя таким образом на множество биохимических процессов в организме.
- Именно благодаря работе митохондрий мы согреваемся в холодные времена, так как они активно участвуют в процессе термогенеза, производя тепло для обогрева тела.
- Без митохондрий невозможен синтез множества белков, мембран клеток, стероидных гормонов, (например, прогестерона и эстрадиола в яичниках, тестостерона в яичках, альдостерона и кортизола в надпочечниках) и других важных структур организма, так как они производят молекулы-предшественники для их образования. Митохондрии участвуют в распаде холестерина, который используется для производства этих гормонов.
- Ещё одна важная роль митохондрий состоит в регуляции уровня кальция внутри клетки для успешного протекания всех жизненных процессов в ней. Так, во время затяжного или хронического стресса в клетке может накопиться избыточное количество кальция, что может привести к её разрушению. Митохондрии помогают не допустить этих печальных событий и активно участвуют в важных процессах передачи клеточных сигналов.
- Именно митохондрии когда-то научили наши клетки активно сражаться с патогенами и до сих пор помогают иммунной системе, снабжая клетки активными формами кислорода. С помощью последних они сигнализируют иммунной системе об опасности и активируют её специальные клетки защиты – макрофаги и Т-клетки. Они способны и самостоятельно повреждать атакующих недругов, перестраиваясь, при необходимости, из "электростанций" в "военные машины".
Кроме этого, митохондрии, помня своё бактериальное происхождение, способны легко и активно "общаться" с нашим микробиомом, также активируя его на борьбу с болезнетворными агентами. - Именно митохондрии способны в нужный момент включать процесс апоптоза или запрограммированную гибель клетки. Этот процесс крайне необходим не только для очищения тканей от старых, плохо работающих, повреждённых, мутировавших и раковых клеток. При необходимости (при чрезмерном окислительном стрессе, повреждении ДНК, чрезмерном синтезе дефектных белков или активации онкогенов), митохондрии активизируют этот процесс путём повышения проницаемости собственных мембран, что ведет к их набуханию, а затем и разрыву наружной оболочки с выходом в клетку белка цитохрома С, который активирует каспазы, запускающие и осуществляющие процесс самоуничтожения клетки.
Таким образом, эти удивительные структуры не только снабжают все наши клетки энергией, но также и выполняют массу других важных функций в организме, без которых просто невозможна его нормальная жизнь. Благодаря этим крохотным органеллам мы можем не просто существовать, а жить полной жизнью, расти, иметь детей, двигаться, танцевать, любоваться природой, чувствовать, общаться, испытывать радость и вдохновение, творить и созидать…
Они достойны того, чтобы мы о них позаботились. Как? Об этом, мои дорогие читатели, я расскажу в своей следующей статье.
